Энергетическая эффективность БГУ

К проблеме энергетической эффективности биогазовых технологий в климатических условиях России 

About the problem of biogas tecnologyes energy efficience in Russia climatic conditions

E. В. Арбузова, С. E. Щеклеин

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», ул. Мира, 19 , г.Екатеринбург, Россия, 620002 тел. (343) 375-95-08, факс. (343) 375-97-37, е-mai:[email protected]

Биогазовые технологии относят к возобновляемым источникам энергии т.к. сырьевой базой для их работы является воспроизводимые в природном цикле растительные либо животные органосодержащие биомассы [1-3].

В ряду известных возобновляемых источников энергии биогазовые установки обладают свойством максимальной устойчивости и слабой зависимости от стохастического характера изменения сырьевого потенциала.
Важнейшей проблемой возможности реализации БГУ технологии считается зависимость эффективности БГУ от климатических факторов. В первую очередь - температуры окружающей среды, т.к. используемое в современных БГУ явление бактериального метаногенеза возникает при особых условиях (отсутствие кислорода, повышенная температура, высокая влажность, необходимость непрерывной гомогенизации и пр.).

По мнению ряда авторов, энергия полученного биогаза не покрывает затрат, необходимых для поддержания данных условий. Во многом данное мнение привело к широкому использованию биогазовых установок только в регионах и странах с теплым климатом [2].

Целью настоящей работы является анализ энергетической эффективности БГУ технологий в зависимости от климатических факторов; определение возможной эффективности их применения в различных регионах РФ; выявление возможных направлений оптимизации БГУ технологий.

В соответствии с [4-5] определим показатель энергетической эффективности биогазовой технологии, как отношение энергии получаемого биогаза (Q_БГ) к общим затратам энергии, требуемым для его получения (Е_сн):

Принято, что технология является энергетически эффективной, если К_эфф>1, т.е. количество полученной энергии превышает совокупные затраты на обеспечение технологии. 

Энергетический потенциал полученного биогаза:

где b_бг^уд - теплотворная способность биогаза, МДж/м ,V_бг - объем произведенного биогаза, м3.

В общем виде объем биогаза, получаемого из сырья определенного типа можно определить по формуле:

где М_р - масса влажного биологического субстрата, 

φ_р- влажность субстрата,

v_уд^max - удельный выход биогаза с массы сухого органического вещества (СОВ), м3/т, 

α_разл (τ)-степень разложения за цикл сбраживания.

В таблице 1 приведены характерные объемы и скорости выхода биогаза по данным [6-8]. 

Таблица 1. Характерные объемы и скорости выхода биогаза

* П - психрофильный, М - мезофильный, Т - термофильный режим. СОВ - сухое органическое вещество.

Известно, что для навоза КРС при отсутствии ингибиторов процесса, оптимальных значениях рН (7-8) и влажности сырья (90-98%) степень разложения и выход биогаза достигают (45-55)% от полного за время цикла. Оптимальные параметры циклов переработки для различных режимов сбраживания приведены в таблице 2 по данным [2,6-8].

Таблица 2. Оптимальные параметры циклов переработки для различных режимов сбраживания

         Расход энергии на собственные нужды БГУ технологии - Есн складывается из расхода тепла (Q_CH) для нагрева биомассы и воды, разбавляющей биомассу до оптимальной влажности, компенсацию тепловых потерь от биореактора и другого оборудования БГУ в окружающую среду; расхода электрической энергии (Э_ск) на подготовку (измельчение, смешение), подачу, удаление и периодическое перемешивание сырья и субстрата в БГУ, работу КИП и А.

Для корректной оценки, расходы энергии всех видов (химическая, тепловая, механическая, электрическая) должны быть приведены к одному ( например тепловому) эквиваленту:

Технологическая схема БГУ технологии приведена на рис. 1. 

Рисунок 1. Технологическая схема простейшей БГУ: 1- смеситель; 2- биореактор; 3- нагреватель.

Расход тепловой энергии на собственные нужды технологии:

 где Q_нагр=С_р∙М_р∙(t_i-t_суб ),Дж

Q_пот=F∙(t_i-t_нар )/R,Дж 

t_i, t_суб, t_нар- температуры в биореакторе, входящего субстрата заданной влажности и окружающей среды соответственно,

С_р, М_р- теплоемкость и масса субстрата в биореакторе,

F, R - поверхность теплообмена с окружающей средой и коэффициент температурного сопротивления контура тепловой защиты.

Расход электрической энергии на собственные нужды технологии:

где Э_см = a·М_р ·ƞ_см  - расход энергии на смешение и измельчение субстрата;

Э_нас1= g·М_р·Н_р· ƞ_нас1 - расход энергии на заполнение биореактора;

Э_нас2= g·М_р· Н_р· ƞ_нас2 - расход энергии на опорожнение биореактора;

Э_меш= ƞ_j ·g·М_р· Н_р· ƞ_меш - расход энергии на перемешивание в биореакторе;

ƞ_j - количество циклов перемешивания за время работы биореактора;

Н_р - высота перемещения биомассы для заполнения, опорожнения и перемешивания в объеме биореактора, м;

ƞ_меш, ƞ_нас1, ƞ_см, ƞ_нас2- коэффициенты полезного действия не более 0,8. 

Оценка потребности в тепловой энергии для производства требуемого объема электрической должна производиться с учетом эффективности современных электроэнергетических технологий, характеризуемых КПД ТЭС и АЭС.

Достигнутый уровень – ƞ_ЭС = 0,35, позволяет определить тепловой эквивалент затраченной электрической энергии:

Т.к. биогазовые технологии предназначены для работы в течение года, целесообразно определение их эффективности в годовом цикле работы. В этом случае годовые объемы энергии биогаза и расходов энергии на собственные нужды технологии могут быть определены путем интегрирования соответствующих функций с учетом зависимостей температур сред и наружного воздуха за период.

В общем виде:

Таким образом:

Следует отметить, что для биогазовых реакторов эффективность существенно зависит от масштабного фактора, определяющего соотношение объема и поверхности теплообмена.

Оптимизация тепловых потерь реактора по методике [11], основанной на решении вариационной задачи отыскания условий dQ_пот/dV=min позволяет получить геометрические соотношения размеров реактора, в виде:

 - поверхность теплообмена с окружающей средой, м²;

 - высота реактора, м;

- диаметр реактора, м.

Влияние климатических факторов на тепловые потери биореактора проявляется вследствие годового изменения температуры окружающей среды. Для удобства использования были выполнены расчеты и получена корреляционная зависимость (рис. 2) среднегодовой температуры от интегрального показателя суровости климата - ГСОП (градусо-сутки отопительного периода), широко используемого в строительной теплофизике.

Рис. 2. Зависимость среднегодовой температуры от ГСОП.

Данная зависимость аппроксимируется уравнением:

                                                                         t_н=16,5-2,7∙10^-3∙ГСОП                                                                    (11)

На рис. 3 приведены результаты расчетов К_эф от ГСОП для характерных режимов метангенерации для технологической схемы (рис.1). Расчет выполнен для навоза КРС (крупного рогатого скота) начальной влажностью (φ₀) 70%. Влажность субстрата в биореакторе (φ_р) принята 91,4%. Термическое сопротивление минимальное (R= 0,2, т.е теплоизоляция отсутствует). 

Рис. 3. Зависимость Кэфф от ГСОП для биореактора (рис.1): 1-для психрофильного режима метангенерации; 2- для мезофильного режима метангенерации; 3- для термофильного режима метангенерации.

Представленный график подтверждает, что эффективность биореактора подобного типа крайне низка, и уже при ГСОП > 2000 для ряда режимов становится Кэф < 1, что указывает на энергетическую неэффективность данных режимов. Некоторая эффективность достигается в диапазоне ГСОП<6000 лишь для мезофильного режима метангенерации.

Анализ вклада отдельных составляющих показывает, что наибольшие потери связаны с необходимостью нагрева биомассы и разбавляющей воды, а также поддержания требуемой температуры в течение всего времени цикла брожения. Результаты расчетов для характерных регионов РФ приведены на рис. 4.

Рис. 4. Доля затрат энергии на обеспечение работы установки в течение года: Юг: ГСОП=2000; Урал: ГСОП=6000; Север: ГСОП=12 000.

В тоже время, как указывалось ранее, исходную биомассу животноводческих хозяйств, для получения наиболее благоприятных условий метаногенеза, требуется преобразовывать в жидкое состояние, повышая его массовую влажность до оптимального уровня (табл.2), как правило, выше 90% [2].

Данное обстоятельство позволяет реализовать простую и эффективную систему рекуперации тепла, отделяя добавочную воду (использовавшуюся для разбавления) в сепарационном устройстве [14], и направлять ее с температурой, соответствующей параметрам процесса в узел приготовления субстрата для следующего цикла работы реактора. В этом случае нагрев полного объема среды в реакторе будет производиться лишь в одном (первом) загрузочном цикле. В последующих циклах расход энергии будет формироваться только нагревом биомассы с фермы, имеющей умеренную влажность и компенсацией тепловых потерь реактора в период работы.
Принципиальная технологическая схема такой биогазовой установки с применением эффективной тепловой изоляции (R> 2) приведена на рис. 5. 

Рис. 5. Принципиальная технологическая схема биогазовой технологии с рекуперацией тепловой энергии методом сепарации и возврата воды в цикл: 1 - смеситель, 2 - биореактор, 3 - нагреватель, 4 - сепаратор.

Применение к данной схеме описанной выше методики оценки энергетической эффективности позволило получить следующее соотношение:

На рис. 6 приведены результаты расчетов Кэф от показателя ГСОП при характерных режимах метангенерации для технологической схемы (рис.5). Расчет выполнен для тех же условий, что и для схемы (рис. 1), за исключением коэффициента температурного сопротивления контура тепловой защиты, который в данном случае принят равным R= 2. 

Рис. 6. Зависимость показателя эффективности Кэф от ГСОП для оптимизированного биореактора (рис. 6): 1 - для психрофильного режима метангенерации; 2 - для мезофильного режима метангенерации; 3 - для термофильного режима метангенерации.

Из графика видно, что эффективность технологии существенно возрастает, и для режимов 2,3 становится соизмеримой с эффективностью добычи и доставки традиционных ископаемых топлив [12-13]. Зависимость эффективности биогазовой технологии от климатического фактора для всех режимов метаногенеза становится слабовыраженной и для наиболее быстропротекающих термофильного и мезофильного режимов метаногенеза не превышает 10%, что указывает на возможность использования данных технологий в климатических условиях, характерных для всей территории РФ.

Выводы:

1. Использование биогазовых технологий в РФ требует создания специальных конструкций биогазовых установок с рекуперацией тепла и высокой степенью тепловой защиты (R>2). При этом коэффициенты энергетической эффективности для всех режимов метаногенеза будут иметь достаточно высокие значения.

2. Вырождение для оптимизированных конструкций зависимости Кэф от ГСОП указывает на возможность использования всех режимов метангенерации в климатических условиях РФ.

3. Дальнейшее повышение эффективности биогазовых технологий может быть связано с разработкой более активных бактериальных штаммов и применением в технологических схемах установок когенерационных принципов с использованием части производимой тепловой энергии для обеспечения собственных нужд технологий.

Список литературы:

1. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Научное издание - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 404 с.

2. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика: Пер. с нем. - М. Колос, 1982- 148 с.

3. Биомасса как источник энергии: Пер. с англ./ Под ред. Соуфера С., Заборски О. - М.: Мир, 1985.-368 с.

4. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х частях. Ч. 2. - М.: Мир, 1989,590 с.

5. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2004, 296 с.

6. Панцхава Е.С., Пожарнов В.А. Вклад биомассы в мировое производство энергии. "Коммерческая биотехнология"

7. Гааб А.Я. Перспективы использования биогаза на примере Орловской области/ Сборник докладов международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ «Энергетика и энергоэффективные технологии». - Липецк: ЛГТУ, 2006, С. 29-31.

8. Ковалев А.А. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм: диссертация доктора технических наук : 05.14.08. - Москва, 1998. - 244 с. : ил. РГБ ОД, 71:99-5/708-9

9. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. /Под ред. Безруких П.П. СПб: Наука, 2002. - 314с.

10. Безруких П.П. Об оценке энергетической эффективности солнечных и ветровых установок / Под ред. Безруких П.П., Бушуев Д.А.//Вестник МЭИ. -2006. -№ 1. -С. 40-43.11. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Издательство МЭИ, 2001,471 с.

12. Борисов С.А., Мартемьянова Е.С. Экологические аспекты энергообеспечения северных территорий в контексте устойчивого развития. Вестник МГТУ, том 9, №3, 2006 г. стр.486-497

13. Бойле Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М.: Агропромиздат, 1987.- 152 с.

14. Лукьяненко В.М., Таранцев А.В. Промышленные центрифуги. М.: Химия, 1974, 376 с.